虛實結合實驗方法在人體生理學教學中的應用

黃 娟，徐子彤，麻 凱，孫遠紅，瞿永華*

（武漢輕工大學醫學與健康學院，湖北 武漢 430023）

人體生理學是醫學院的重要基礎課程之一，屬于實驗科學的范疇，開展實驗教學是學習該學科必不可少的一部分。2015 年以前，武漢輕工大學（以下簡稱“我校”）生理學實驗教學由于實驗動物、實驗學時、經費等條件的制約，造成生理學實驗質量無法達到預期的效果。2015 年時，我校啟動了醫學機能學實驗室的建設，引進了虛擬仿真實驗教學平臺系統，利用虛擬化完成了更多的教學內容。但在疫情防控期間，我校全覆蓋采用虛擬仿真實驗進行課程內容教學，導致學生的實際操作技術和動手能力不及傳統的實驗教學。2021 年，我校采取傳統實驗和虛擬仿真實驗相結合的方法開展生理學實驗課程的教學，在一定程度上提高了學生對實驗課程的興趣和教學質量。本文主要是從這三種方法的使用效果評價進行總結和分析。

1 傳統實驗方法的效果評價

傳統的教學方式主要是由教師先講解實驗的目的要求、內容以及注意事項等方面的知識，然后學生根據教師的指導和演示完成實驗。

1.1 傳統實驗方法的優勢

1.1.1 有利于提高學生的操作技術和動手能力

生理學實驗是以活的動物或人體作為觀察對象和實驗材料的。在實體實驗中，操作技術和動手能力對實體實驗的成功與否具有重要的影響。在實體實驗的操作過程中，學生可以學習和掌握一些基本的操作技術，例如手術器械的使用方法和技巧、動物固定的方式和手術結打結的方法等操作。

1.1.2 有利于促進學生思維能力的發展

在動物實驗過程中，動物會受到許多因素的干擾進而引發各種現象，學生可以通過觀察實驗的現象和記錄相關的數據，對比分析出現不同結果的原因，并總結能從中得到什么結論或啟示。

1.1.3 有利于培養團隊合作的精神

在傳統的實驗教學中，主要采用小組成員之間共同合作的實驗方式，小組內團結、配合、分工協作完成各項實驗。因此，在實驗的過程中，在實驗井然有序地進行的同時還可以培養同學們團隊合作的精神。

1.2 傳統實驗方法的劣勢

1.2.1 實驗資源匱乏，安全隱患高

在生理學實驗教學中，學生常常會因為資金匱乏，動物數量有限，實驗涉及的實驗器械和設備種類繁多復雜，不容易掌握實驗方法。如果學生沒有掌握這些儀器的使用方法，可能導致實驗過程中因使用方法不恰當，造成實驗中斷或動物死亡，甚至還可能會因為捉拿過程中不小心被動物抓傷的情況。傳統的生理學實驗還存在實驗動物供不應求和安全隱患等方面的問題。

1.2.2 實驗條件有限，導致某些實驗無法開展

生理學實驗教學往往會受到教學經費短缺、實驗課時較少與生物倫理等因素的制約，使得一些實驗無法開展。

1.2.3 實驗教學的效果不佳

生理學實驗教學的過程中，教師會先講解實驗的目的、操作步驟與注意事項，學生們按照老師的指示和步驟進行。實驗的設計方面多數是驗證型實驗，導致學生對生理學實驗沒有獨立的思考，長期如此反復，學生們會把人體生理學實驗作為一種刻板完成任務的實驗課。

2 虛擬仿真實驗方法的效果評價

虛擬仿真實驗教學方法主要是通過將計算機虛擬仿真技術與互聯網結合，利用虛擬動物來模擬實際生理學實驗的操作過程。

2.1 虛擬仿真實驗方法的優勢

2.1.1 提高了實驗教學的安全性

在一些安全系數較低的實驗中，若操作不慎，容易給操作者帶來危害，如生理學上的缺氧實驗中氣體制備和藥物使用具有一定的安全隱患，操作過程中不夠專心就可能會對身體造成危害。除此之外，在一些實驗中需要用大只的動物做實驗，如捉拿的方式不正確或者麻醉藥不足時，也可能會出現在實驗的過程中被動物抓傷或者咬傷的情況。而虛擬仿真實驗的操作過程是無須動物無須藥品試劑的，任何實驗都能夠在虛擬實驗室內完成。

2.1.2 優化人體生理學實驗教學的資源

傳統生理學實驗教學常常會因為實驗動物、實驗學時、經費等條件的制約，導致我們能開展的實驗項目內容不夠豐富。但通過采用虛擬仿真實驗教學模式進行實驗，不僅可以改變傳統生理學實驗教學的缺陷，還可以開展更多的實驗項目。虛擬仿真實驗教學系統主要是采用虛擬動物來模擬實體實驗，無須實驗材料，不管進行多少次實驗都不需要額外的教學資源投入，大大減少了經費的支出，同時省去繁雜的實驗準備工作。

2.1.3 增強學生的實驗技能，提高教學效果

通過利用計算機的模擬功能進行實驗，不僅能夠滿足在實驗過程中實現緩慢過程的快速化或快速過程的緩慢化，還能夠滿足實驗者隨時停止實驗或查資料的需要。相對于傳統的實驗教學模式而言，虛擬實驗系統能夠通過虛擬操作的演示和互動，把實驗中的重點、難點表示出來，學生能夠通過虛擬實驗熟悉實驗的各項基本操作，掌握實驗的重點。例如，在影響尿生成因素虛擬實驗中，采用大量的數據曲線，結合2D和3D動畫、實驗操作錄像，生動形象地展示了影響尿液的生成因素及其原理機制，實驗完成后還可以進行知識點自測。除此之外，虛擬仿真教學體系不受時間和空間的束縛，學生和教師可以隨時隨地進行實驗，從而解決了因課程學時不足而帶來的困擾。

2.2 虛擬仿真實驗教學方法的缺點

2.2.1 虛擬仿真實驗系統的發展還不夠完善

利用虛擬仿真實驗系統進行教學的過程中，可能會因為系統管理體系上的不足、計算機信息網絡信號不強或設備陳舊等因素的影響，在虛擬實驗系統操作過程中不能進行步驟跳躍，出現死機的現象，導致實驗無法完成。

2.2.2 虛擬仿真實驗教學系統不能夠完全代替實體實驗的教學方法

傳統的生理學實驗教學模式可以提升學生的實際操作水平，有利于促進學生對動物實驗方面實驗操作的認知，為今后其他醫學機能學實驗奠定基礎。虛擬仿真實驗操作系統屬于實驗操作模擬的范疇，學生并沒有真實體驗動物實驗的操作，因此，與傳統生理學實驗相比，虛擬仿真實驗教學系統還具有一定的局限性。此外，虛擬仿真實驗雖然能夠解決傳統實驗上大部分的缺陷，但是虛擬仿真實驗無法解決傳統實驗過程中所出現的問題，例如消毒的部位和方式、穿刺的方法與藥劑的劑量等。虛擬仿真實驗是程序化的過程，固定化的結果，導致學生缺乏獨立思考問題的能力。

2.2.3 虛擬仿真實驗系統在生理學實驗教學中的普及程度不足

從河北省交管局獲悉，河北省交管部門扎實開展交通秩序整治工程，上半年河北省交通事故起數、死亡人數同比分別下降15.34%、28.05%，未發生一次死亡10人以上重特大道路交通事故。河北省累計查處交通違法行為1719萬起，同比增長20%；現場執法總量達到359萬起，同比增長120%

在虛擬仿真實驗教學系統的使用上，我校主要是通過虛擬仿真實驗教學平臺上的實驗操作錄像向同學們展示實驗的具體操作過程，讓同學們更加直觀地看到實驗的操作過程，用來補充在傳統實驗課堂上沒能夠展示出的內容。

3 虛實結合實驗方法的效果評價

虛實結合法就是通過傳統實驗和虛擬仿真實驗教學技術手段相互結合形成的一種教學方法，利用虛擬實驗來促進實體實驗的教學質量。

3.1 虛實結合實驗方法的優勢

3.1.1 虛實結合法推動了實驗教學手段的改革發展

隨著教育模式的改革發展，傳統實驗的教學方式無法滿足現階段教學的需求。虛擬仿真實驗教學手段是由信息技術與教育深度融合形成的，還存在一定的局限性，不能夠全方位覆蓋使用。因此，我們采取了虛實結合的教學模式，恰巧能夠達到相互彌補，使得生理學實驗教學在生理學中發揮更大的作用。

3.1.2 虛實結合法提升實驗效果，發揮以虛促實的作用

我們通過對20 級康復治療學部分學生做了問卷調查，其中97.9%的學生對虛實結合法的教學方式呈滿意的態度、92.4%的學生對我校的虛實結合實驗教學感興趣，99.4%的學生認為通過虛實結合可以減少實體實驗操作過程中的錯誤。學生使用虛實結合的模式進行實驗，不僅提高了實驗動手的能力，而且還提高了實體實驗的成功率。2021 年我校醫學院在校學生參加了湖北省第一屆大學生醫學虛擬仿真實驗技能大賽，并獲得特等獎一項和二等獎三項。

3.1.3 虛實結合法提高課堂教學的效率

在虛實結合式教學模式中，學生可以通過利用課余時間在虛擬仿真教學平臺系統上完成知識點的學習以達到預習的目的，教師根據學生的學習進度，對其在虛擬仿真教學平臺系統上自主學習完成的情況進行評價，讓同學們了解自己的學習成果并從中汲取經驗，這不僅可以提高教師與學生之間互動的有效性，還促進了教學相長。

3.2 虛實結合法的缺點

3.2.1 虛實結合法教學模式還不夠成熟

在生理學實驗教學上采取虛實結合法進行實驗教學，由于教學模式不夠成熟導致傳統實驗和虛實仿真兩種方法在知識點的銜接上出現了分歧，教師無法把兩種教學模式緊密銜接起來，甚至還需要教師在課程教學前花費大量的時間去探討分析。

3.2.2 虛實結合法教學資源管理體系仍存在不足

虛擬仿真實驗教學系統體系的資源需要不斷地豐富和完善。雖然目前我們線上的教學資源已經達到了教學的需求，但是人體生理學的內容在不斷更新，教材也在不斷改版，所以每一個階段都需要及時補充教學資源。

3.2.3 虛實結合法導致教學方法出現濫用現象

虛實結合實驗教學模式雖然可以給彌補傳統教學和虛擬仿真教學模式的缺陷，但不是把所有的實體都和虛擬實驗結合進行就能提高實驗的教學效果。應當根據實體實驗發展需要，采取“虛實互補、能實不虛、以虛促實”的原則來選取最合適的教學方法。

4 總結與展望

傳統生理學實驗表現出諸多不足，導致我校生理學實驗教學質量低下，無法達到教學目標的要求，人體生理學的教學必須要走向教育改革的道路。

虛擬仿真實驗突破了傳統實驗的限制，剛剛開始采用就解決了傳統實驗教學所帶來的劣勢，但是虛擬仿真實驗同樣存在弊端。例如，平臺系統管理體系不夠完善，缺乏實際動手的過程，普及程度不足，導致其不能完全代替傳統實驗。

虛實結合法滿足人體生理學的基本要求，一種新型教學方法，但由于這種新型的方法還沒有全方位的管理體系，導致它在人體生理學教學上沒能發揮出顯著的作用，希望在教育改革快速發展的時代，我們的科技人員能在這一種新型的教學模式上研發出更加完善的服務體系，促進人體生理學的教學質量能夠進一步提高。